A NASA Fermi nem lát gamma sugarakat a közeli szupernóvából

Az SN 2023ixf szupernóva megfigyelése 2023-ban a Kerék-galaxisban egyedülálló lehetőséget kínált a kozmikus sugárzás képződésének tanulmányozására, de a várt gamma-sugarakat a NASA Fermi-teleszkópja nem észlelte, ami a vártnál jóval alacsonyabb energiakonverziós rátákat jelez. Köszönetnyilvánítás: NASA

Az SN 2023ixf 2023-as megfigyelései meglepő eredményekhez vezettek a szupernóvák által keltett kozmikus sugarak tekintetében, amelyek potenciális hatással lehetnek a kozmikus sugárzás eredetének és a gyorsulási mechanizmusok megértésére.

2023-ban egy közeli szupernóva kiváló lehetőséget biztosított az asztrofizikusoknak, hogy ötleteket próbáljanak ki arra vonatkozóan, hogy az ilyen típusú robbanások miként emelik a részecskéket, az úgynevezett kozmikus sugarakat közel fénysebességűre. Meglepő módon azonban a NASA Fermi Gamma-sugaras űrteleszkópja nem észlelte azt a nagyenergiájú gammasugár-fényt, amelyet ezeknek a részecskéknek kellene előállítaniuk.

2023. május 18-án szupernóva tört ki a közeli Csavarkerék-galaxisban (Messier 101), amely körülbelül 22 millió fényévnyire található az Ursa Major csillagképben. Az SN 2023ixf nevű esemény a legfényesebb közeli szupernóva, amelyet Fermi 2008-as kilövése óta fedeztek fel.

Váratlan eredmények a Fermi-teleszkóptól

„Az asztrofizikusok korábban úgy becsülték, hogy a szupernóvák teljes energiájuk körülbelül 10%-át alakítják át gyorsított kozmikus sugárzásokká” – mondta Guillem Martí Devesa, az olaszországi Trieszti Egyetem kutatója. „De soha nem figyeltük meg közvetlenül ezt a folyamatot. Az SN 2023ixf új megfigyelései alapján számításaink a robbanás után néhány napon belül akár 1%-os energiakonverzióhoz vezetnek. Ez nem zárja ki a szupernóvák, mint kozmikus sugárzás gyárak megjelenését, de ez azt jelenti, hogy még többet kell megtudnunk a gyártásáról.

Ez a tanulmány, amelyet Martti Devesa vezetett az ausztriai Innsbrucki Egyetemen, a folyóirat következő kiadásában fog megjelenni. Csillagászat és asztrofizika.

Még akkor is, ha nem észlel gamma-sugarakat, NASAA Fermi Fermi gamma-űrtávcsője segít a csillagászoknak többet megtudni az univerzumról. Forrás: NASA Goddard Space Flight Center

A kozmikus sugarak és eredetük

Kozmikus sugárzás trillió billiója ütközik nap mint nap a Föld légkörével. Nagyjából 90%-uk hidrogén atommag – vagy proton -, a többi pedig elektron vagy nehezebb elemek atommagja.

A tudósok az 1900-as évek eleje óta vizsgálják a kozmikus sugarak eredetét, de a részecskék nem vezethetők vissza forrásukra. Mivel elektromosan feltöltöttek, a kozmikus sugarak megváltoztatják útjukat a Föld felé haladva a mágneses mezőknek köszönhetően.

„A gamma sugarak közvetlenül hozzánk érkeznek” – mondta Elizabeth Hayes, a Fermi projekt tudósa a NASA Goddard Űrrepülési Központjában, Greenbeltben, Marylandben. „A kozmikus sugarak gamma-sugarakat hoznak létre, amikor kölcsönhatásba lépnek a környezetükben lévő anyaggal, ezért ha nem érzékeli a várt jelet, a tudósoknak meg kell magyarázniuk a hiányt pontosabb kép a kozmikus sugarak eredetéről .

A Fred Lawrence Whipple Obszervatórium 48 hüvelykes teleszkópja 2023 júniusában rögzítette ezt a látható fényű képet a Kerékgalaxisról (Messier 101). A 2023ixf szupernóva helyét bekarikázik. Az arizonai Mount Hopkins-on található obszervatóriumot a Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics üzemelteti. Köszönetnyilvánítás: Hiramatsu et al. 2023/Sebastian Gomez (STScI)

Szupernóvák, mint kozmikus sugárzásgyorsítók

Az asztrofizikusok régóta azt gyanítják, hogy a szupernóvák a kozmikus sugárzás legnagyobb tényezői.

Ezek a robbanások akkor következnek be, amikor a Nap tömegénél legalább nyolcszoros tömegű csillagból kifogy az üzemanyag. A mag összeesik, majd visszapattan, kifelé tolva a lökéshullámot a csillagon keresztül. A lökéshullám felgyorsítja a részecskéket, kozmikus sugarakat hozva létre. Amikor a kozmikus sugarak ütköznek a csillagot körülvevő más anyaggal és fénnyel, gamma-sugarakat generálnak.

A szupernóvák nagymértékben befolyásolják a csillagközi környezetet a galaxisban. A robbanáshullámok és a táguló törmelékfelhő több mint 50 000 évig tarthat. 2013-ban a Fermi mérések kimutatták, hogy bolygónkon léteznek szupernóva-maradványok Tejút A galaxisok felgyorsították a kozmikus sugarakat, amelyek gamma-fényt generálnak, amikor összeütköznek a csillagközi anyaggal. A csillagászok szerint azonban a maradványok nem termelnek elég nagy energiájú részecskét ahhoz, hogy megfeleljenek a tudósok Földön végzett méréseinek.

Az egyik elmélet azt sugallja, hogy a szupernóvák felgyorsíthatják galaxisunk legenergiásabb kozmikus sugarait a kezdeti robbanás utáni első napokban és hetekben.

A szupernóvák azonban ritkák, évszázadonként csak néhány alkalommal fordulnak elő egy olyan galaxisban, mint a Tejút. Körülbelül 32 millió fényévnyire a szupernóvák átlagosan évente csak egyszer fordulnak elő.

Egy hónapos megfigyelések után, kezdve azzal, hogy a látható fényű teleszkópok először észlelték az SN 2023ixf-et, Fermi nem tudta észlelni a gamma-sugarakat.

Kihívások és jövőbeli kutatások

„Sajnos az, hogy nem látunk gamma-sugarakat, nem jelenti azt, hogy nincsenek kozmikus sugarak” – mondta Mathieu Renaud, a montpellier-i Univerzum és Részecskék Laboratórium asztrofizikusa, amely a francia Nemzeti Tudományos Kutatási Központ része. „Fel kell vizsgálnunk az összes alapvető hipotézist a gyorsulási mechanizmusokkal és a környezeti feltételekkel kapcsolatban, hogy a gammasugárzás hiányát a kozmikus sugárzás képződésének felső határává alakítsuk.”

A kutatók néhány olyan forgatókönyvet javasolnak, amelyek befolyásolhatták Fermi azon képességét, hogy lássa az eseményből származó gamma-sugarakat, például azt, ahogy a robbanás elosztotta a törmeléket, és a csillagot körülvevő anyag sűrűségét.

A Fermi-megfigyelések jelentik az első lehetőséget a körülmények tanulmányozására közvetlenül a szupernóva-robbanás után. Az SN 2023ixf további megfigyelései más hullámhosszokon, az ezen az eseményen alapuló új szimulációk és modellek, valamint más fiatal szupernóvák jövőbeni tanulmányozása segít a csillagászoknak eljutni a kozmikus sugárzás rejtélyes forrásaihoz az univerzumban.

A Fermi egy asztrofizikai és részecskefizikai partnerség, amelyet Goddard irányít. A Fermi-t az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumával együttműködésben fejlesztették ki, valamint a francia, német, olasz, japán, svéd és egyesült államokbeli akadémiai intézmények és partnerek jelentős hozzájárulásával.